稀土納米粒子磁共振成像造影劑的研究進展

王晨晨, 周治國

(上海師范大學 化學與材料科學學院,上海 200234)

0 引 言

核磁共振(NMR)最早是由LAUTERBUR[1]在1973年開發并用于成像的.自此,因其可以提供高分辨的生物組織或器官的圖像[2-3],磁共振成像(MRI)成為了最強大的生物成像技術之一.MRI作為非侵入性的成像技術,具有極高的組織穿透深度.此外,MRI不采用放射性試劑或高能的電磁波,對生物組織損害較低[4].MRI信號的產生是基于原子核在磁場下的諧振和弛豫性能.在所有具有凈核自旋的原子(如1H,3He,13C,19F,17O,23Na和31P)中,1H是最廣泛采用的原子,因為它在生物組織中豐富存在,并且也是第二敏感的原子核.當暴露于外部磁場,進動的氫核的磁矩對齊平行或反平行于磁場,產生縱向z軸的凈磁化(Mz),如圖1所示.受特定頻率(RF)脈沖照射時,Mz將從其初始軸激發并發生翻轉.射頻脈沖消失后,原子核無法處于激發狀態,返回并保持在初始狀態,這就是所謂的弛豫.這個階段有2個獨立的弛豫過程:縱向弛豫(T1)和橫向弛豫(T2).前者是指Mz恢復到初始狀態,這也被稱為自旋—晶格弛豫,因為Mz的變化是來自晶核到環境中的能量傳遞;而后者是指感應磁化的上垂直平面(Mxy),其也被稱為自旋—自旋弛豫,因為在Mxy的變化是由于自旋相的消失.在弛豫過程中,T1被定義為Mz恢復到其最大值的63%所需的時間,稱縱向弛豫時間;而T2被定義為Mxy在激發態下降到初始值的37%所需的時間,稱為橫向弛豫時間.

圖1 MRI原理.(a) RF脈沖之后,質子被激發,RF脈沖消失后,核自旋弛豫回到初始狀態,其中的Mz增加和Mxy減小(Mxy(t)表示到初始狀態的時間);(b) T1為Mz恢復到其最大值的63%所需的時間;(c) T2是Mxy下降到初始值的37%處于所需的時間

1 T1類CAs

釓(Gd)最外層有7個未配對的電子,電子的誘導作用很強,磁矩較高,其8S7/2基態提供的電子弛豫時間較長,大約比其他鑭系元素離子(Ln3+)長4～5個數量級[6],并且在元素周期表中Gd3+的未配對電子數最多.這些特性使Gd3+成為增強T1弛豫最理想的離子,而其他的Ln3+效率較低.由于游離的Gd3+具有一定的生物毒性,所以醫學上常用螯合劑來穩定Gd3+.作為替代方案,也可以通過摻雜Gd3+到無機納米結構中或直接利用Gd的化合物作為基質來限制游離的Gd3+.迄今為止,已經有大量的無機納米結構被用于摻雜Gd3+,包括二氧化硅[7]、羥基磷灰石[8]、碳納米材料(如碳納米管[9]和碳納米點[10])、半導體納米晶體(如ZnS[11],ZnO[12],CdSe[13]和CdTe[14])和其他稀土離子的納米粒子.由于摻雜Gd的納米結構多種多樣且難以分類,這里僅介紹Gd的無機納米粒子T1CAs,這將有利于揭示其弛豫機理及相關影響因素.

1.1 Gd的氧化物

在2003年,MCDONALD等[15]首次對納米氧化的理化性質和NMR性質進行了闡述,之后很多研究者對Gd的無機納米粒子T1CAs展開一系列的研究.這些Gd2O3納米粒子(直徑為20～40 nm)顯示出相對較小的r1值(0.2 mmol-1·L·s-1)和r2值(6.8 mmol-1·L·s-1),如圖2所示.因此,Gd2O3成為Gd的無機納米粒子T1CAs的研究熱點.目前報道的制備Gd2O3納米粒子最傳統方法是通過多元醇路線,其中多元醇劑被用作溶劑和封端劑.KIMURA等[16]通過多元醇方法合成了Gd2O3納米粒子,并使用明膠形成保護膠體,合成的Gd2O3納米粒子可用于光聲和MRI.然而,多元醇合成路線的產率較低,而且從游離的Gd3+中純化得到納米粒子需要較長的透析時間.AHREN等[17]報道了一種在室溫下合成4～5 nm尺寸Gd2O3納米粒子的無聚合體方法,所得到的納米粒子用醋酸鹽和碳酸鹽基團包裹,顯示出有效的MRI增強特性(r1=6.9 mmol-1·L·s-1,r2=7.9 mmol-1·L·s-1).

圖2 Gd2O3透射電子顯微鏡(TEM)圖以及弛豫率圖.(a) Gd2O3和(b)2個月后樣品的高分辨率透射電鏡(HRTEM)圖;(i)氯化釓、(ii)Gd2O3納米粒子、(iii)馬根維顯在水中的(c) T1和(d) T2擬合曲線

1.2 Gd的氟化物

與氧化物相比,氟化物通常具有較低的聲子能量,并且更適用于發光中心的主體基質.因此,Ln的氟化物引起了研究者的廣泛關注.MIMUN等[18]通過熱分解法,以三氟乙酸鹽為前體,合成了摻Nd的GdF3納米粒子(5.52±2.24) nm,再經聚馬來酸酐-阿爾特-1-十八烯改性后,納米粒子在水中表現出良好的穩定性,并且具有良好的近紅外發光和T1弛豫增強性能.JU等[19]利用聚丙烯酸(PAA)作為封端劑,通過進一步溶劑熱法合成了Ln3+摻雜的GdF3納米粒子,這些納米粒子可用于時間分辨的光致發光生物檢測和T1加權MRI.與溶劑熱處理和熱分解相比,共沉淀法的反應條件較溫和,利用這種方法EVANICS等[20]合成了檸檬酸鹽涂層的GdF3納米粒子,以及GdF3和LaF3納米粒子的2-氨基乙基磷酸酯涂層的混合物,并研究了其NMR弛豫特性.同樣地,TIAN等[21]報道了用溶劑熱法合成單分散的超薄GdF3納米線(長度為20～40 nm,直徑約為2 nm).用表面活性劑F127改性后,GdF3納米線在7 T時顯示出15.0 mmol-1·L·s-1的高r1值.JOHNSON等[22]合成了粒徑在2.5～8.0 nm之間的NaGdF4納米粒子,通過聚乙烯吡咯烷酮表面活性劑使其獲得較好的生物相容性,與臨床上應用的 Gd-DTPA(DTPA為二乙三胺五醋酸) 相比,弛豫效率強200～3 000倍,如圖3所示.

圖3 不同尺寸的NaGdF4掃描電子顯微鏡(TEM)圖像以及弛豫率圖.(a)2.5 nm,(b)4.0 nm,(c)6.5 nm和(d)8.0 nm不同尺寸的NaGdF4 HRTEM圖像;(e)不同尺寸的NaGdF4納米粒子(1.5 T)T1弛豫曲線圖

圖4 GdPO4 TEM圖以及不同濃度條件下的MRI.(a) GdPO4不具有(左)和具有(右)右旋糖酐/葡聚糖-K01涂層的TEM(右圖的箭頭指示葡聚糖涂層材料);(b) T1(左)和T2(右)的MRI.(第一行為馬根維顯(從左邊起):5.00,1.00,0.50,0.10,0.01 mmol;第二行為右旋糖酐/葡聚糖-K01(Gd3+)(從左邊起):2.20,1.10,0.50,0.20,0.04 mmol;第三行為鐵羧葡胺(Fe3+)(從左邊起):5.00,1.00,0.50,0.10,0.01 mmol;第四行為水)

1.3 Gd的含氧酸鹽

1.4 Gd的氫氧化物

STEFANAKIS等[25]通過水共沉淀法合成了平均粒徑為80 nm的Gd2(OH)5NO3納米片.除了增強MRICAs對比度外,通過玫瑰紅的修飾,納米片還可以用于光動力療法.LEE等[26]合成了層狀羥基氯化的超薄納米片[Gd2(OH)5(H2O)x]Cl,但其形狀不規則,橫向尺寸為(120±30)nm,對于r1和r2值分別為2.20 mmol-1·L·s-1和6.92 mmol-1·L·s-1,如圖5所示.與此同時,他們還研究了剝落的層狀氫氧化物的表面改性方法[27].在該方法中,利用油酸根陰離子與Gd2(OH)5NO3·nH2O中的硝酸根離子交換,進行層剝離,并且利用聚乙二醇(PEG)尾端磷脂進行水溶性改善.隨著熒光素的摻入,層狀釓氫氧化物同時顯示出熒光和MRI都增強的特性.

圖5 [Gd2(OH)5(H2O)x]Cl結構示意圖以及T1,T2的弛豫率圖和成像圖.模擬[Gd2(OH)5(H2O)x]Cl結構垂直于(a)c軸和(b)ab平面(紫色,灰色和紫色分別表示的Gd,OH和Cl);(c)[Gd2(OH)5(H2O)x]Cl的和與不同Gd物質的量濃度的曲線圖;Gd2(OH)5(H2O)x]Cl的(e) T1和(f)T2核磁成像圖

2 T2類CAs

圖6 Dy2O3納米粒子形貌以及磁學性質表征.(a) Dy2O3納米粒子的TEM圖像;(b) Dy2O3納米粒子的HRTEM圖像(兩條白線間的距離(d)測量值為:① 0.52 nm,② 0.42 nm,③ 0.31 nm,檢索為Dy的立方晶胞);(c)不同稀土納米粒子在7 T,25 ℃下,橫向弛豫率(R2)隨著重聚脈沖(τCP)變化圖;(d) 1 mmol Dy3+在不同磁場下R2隨著τCP變化圖;(e) 鏑水懸浮液的R2對外部磁場B擬合斜率圖;(f) 鑭系氧化物納米粒子R2對擬合斜率圖(樣品的物質量的濃度約為0.5 mmol·L-1)

此外,同時發現了Dy2O3納米粒子尺寸影響r2值[30],并在7.0 T和17.6 T的磁場下最適合的尺寸分別為70 nm和60 nm,r2值分別為190 mmol-1·L·s-1和675 mmol-1·L·s-1.KATTEL等[31]也觀察到類似的實驗結果,他們研究了稀土基的納米粒子的NMR 弛豫時間,發現Gd(OH)3的T2與磁場強度呈線性增加,其T2是由納米粒子和水表面之間的質子交換而產生的.然而,Dy2O3,Tb4O7,Er4O(OH)9NO3和Ho4O(OH)9NO3納米粒子與其磁場強度則是呈二次方增加的.BONY等[32]通過D-葡糖醛酸包裹Ln2O3的方法,合成出超小粒徑的稀土納米粒子(Ln=Eu,Gd,Dy,Ho和Er),并研究它們作為T2CAs的潛力,如圖7所示.為了研究T2和熒光成像的關系,Ln2O3納米粒子摻雜著Tb3+和Eu3+,使其在可見光區域中提供強的熒光發射.

圖7 Dy2O3:Tb3+溶液、活體MRI以及其熒光發射光譜圖.(a) 含有1%(質量分數)瓊脂糖凝膠的Dy2O3:Tb3+納米粒造影劑(Dy2O3:Tb3+ NCs),在不同物質的量濃度(0,0.030,0.125,0.250 mmol·L-1)下的T2成像;(b) 腫瘤區域的體內T2成像(右箭頭:注射了Dy2O3:Tb3+NCs的腫瘤,左箭頭:未注射的腫瘤作為基準);(c) Dy2O3:Tb3+NCs的發射光譜圖;(d) Dy2O3:Tb3+NCs(約0.1 mol·mL-1)在275 nm激發光下的數字照片圖像

同時DAS等[33]也研究了通過摻雜具有熒光發射的Ln3+形成熒光和MRI相結合的雙模態成像探針,合成了用于光學成像和高場MRI成像的超小Tb摻雜的Dy2O3納米粒子,納米粒子在7 T的磁場下顯示出較小r2值(17 mmol-1·L·s-1).BAILEY等[34]報道了通過熱分解法合成Ln2O3(Ln=Gd,Dy和Yb)的納米圓盤.納米圓盤直徑為10～14 nm,對于Dy2O3的納米圓盤,它們的r2值在1.41 T的磁場下比Gd-DTPA增強了1.6～1.7倍以上.由于其弱順磁性特性,Dy2O3和Yb2O3納米圓盤相較于Gd2O3表現出較高的MRI對比度.鑭系氟化物納米粒子也已經被開發為T2的成像CAs.DAS等[35]合成了粒徑在5～20 nm的β-NaDyF4納米粒子,研究了其T2弛豫特性,并且發現納米粒子尺寸和磁場強度增加,會導致更明顯的T2弛豫特性.WANG等[36]報道了具有不同形狀的NaErF4的合成方法,討論了形狀效應磁學特性,發現棒狀納米粒子具有最高的磁化率,這歸因于它們具有較高的形狀各向異性.當與Yb3+摻雜,不僅得到了多功能的NaErF4納米棒,并且增強了上轉換發光、X射線吸收以及T2弛豫.

3 T1-T2雙模態CAs

由于單一成像模式在穿透深度、分辨率和靈敏度方面的差異,多個成像模態的組合可以提供優于單模式的互補診斷信息,T1-T2雙模態MRI由于其有效重建和可視化消除偽影而備受關注[37-38].然而,T1-T2雙模態的CAs需要同時具備較大的T1和T2弛豫效應,這是極具挑戰性的.事實上,所有的CAs本質上都顯示T1和T2弛豫效果.例如,超順磁四氧化三鐵(SPIO)顯示出了主要的T2效果,但是只要其尺寸進一步減小就會導致T1效果的改善,與此同時它們的T2效應會相應降低[39].雖然Fe-Co合金納米粒子都顯示出高的r1和r2的值,但其內在機制仍不清楚[40].正如之前所說,對于順磁性納米Ln3+雖然已被廣泛研究其T1和T2效果,但同時實現高r1和r2值是困難的,由于Gd3+相對較小的磁矩和其他稀土離子較差的T1效果,利用常規T1-T2雙模態CAs在成像模式上的互補作用,成為制備T1-T2雙模態CAs的一個有效方法.例如,YANG等[41]通過在磁性氧化鐵納米粒子的表面上修飾上Gd的螯合物合成出T1-T2雙模態的CAs.核殼結構的構建是另一種T1-T2雙模態CAs相結合的方式.SOOK等[42]合成了MnO包裹Gd2O3的納米粒子(1～2 nm),其r1和r2值在3 T的磁場下分別為12.8 mmol-1·L·s-1和26.6 mmol-1·L·s-1.ZHANG等[43]報道了一種“智能”治療診斷的NaDyF4∶Yb@NaGdF4∶Yb,Er納米探針,其不僅提供優異的T2加權成像,同時也具有可調T1加權信號的MRI對比度,如圖8所示.T1和T2弛豫時間使用自旋回波序列測試,其r1和r2弛豫分別為0.321 mmol-1·L·s-1和437.97 mmol-1·L·s-1,T1和T2圖像采集實驗參數為TR/TE/XNEX=400/8.9/16和TR/TE/XNEX=1 500/41/16,其中XNEX表示每一個相位編碼步級采集信號的重復次數.

圖8 NaDyF4∶Yb3+/NaGdF4∶Yb3+,Er3+ NCs核磁成像表征.(a) 梯度回波序列測試的不同Gd3+物質的量濃度(0,0.062 5,0.125 0,0.500 0,1.000 0 mol·L-1)的亮T1 MR圖像;(b) 自旋回波序列測試的不同Gd3+物質的量濃度(0,0.062 5,0.125 0,0.500 0,1.000 0 mol·L-1)的暗T1 MR成像;(c) 不同Dy3+物質的量濃度(0,0.062 5,0.125 0,0.500 0,1.000 0 mol·L-1)的T2成像;使用自旋回波序列的(d)T1和(e)T2的MR圖像;(f) 0.8%(質量分數)瓊脂糖的使用梯度回波序列T1 MR圖像(在小鼠模型中,皮下注射(ⅰ) 0.8%瓊脂糖作為對照和(ⅱ) 含有0.8%的瓊脂糖的NCs作為實驗組)

4 總結與展望

相比于鐵基CAs的發展,基于稀土離子CAs的研究仍處于快速增長的初期階段.大多數報道的CAs的診斷應用仍局限于體外實驗或初步動物實驗.對基于金屬GdT1CAs來說,由于其晶體的對稱性帶來的對Gd3+的電子自旋性質、Gd3+之間的距離、雜質引起的磁環境的變化等影響,應進行進一步的探究.雖然對包含Gd3+的不同系統,包括氧化物、氟化物、含氧鹽和氫氧化物的弛豫進行了研究,但對增強T1弛豫最適合的類型仍然尚不明確.相對于Gd3+CAs,其他稀土離子CAs需從傳統化合物當中(氧化物和氟化物等)擴展.在臨床應用中,對其體內生物相容性的總體評價、藥代動力學、生物分布和代謝,仍需要進一步的研究.